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基于稳定同位素技术的蓄水坑灌下矮砧苹果树水分迁移机制研究

 
【摘要】:如何高效利用日益短缺的水资源以达到节本提质增效的目的,是现代果园可持续发展亟待解决的问题。随着蓄水坑灌技术在我国北方果林中的应用,深入研究蓄水坑灌下苹果树水分迁移机制,进一步揭示蓄水坑灌的节水机理,对指导蓄水坑灌下果园的合理灌溉具有重要意义。本论文将室内与田间试验相结合,探究利用稳定同位素这一新技术研究矮砧苹果树水分迁移的适用性。在此基础上,以5年生矮砧苹果树为研究对象,设置灌水量相同的地面灌溉和蓄水坑灌以及灌水量减半的蓄水坑灌共3个处理,基于稳定同位素技术,系统阐释蓄水坑灌下水分在苹果树土壤-根系-果树地上部各环节中的相互作用机制。取得以下结论:(1)确定了利用稳定同位素技术研究矮砧苹果树根系吸水的可行性。为获取准确的土壤水和枝条水稳定同位素信息,通过对抽提和测试过程中的潜在分馏研究,提出了土壤水最佳抽提策略(加热温度为90℃、填充物为海绵、抽提时间为90min)以及为提高样品测试效率的测序优化方案,发现了苹果树非生育期的枝条水存在分馏效应,得出了土壤水贡献率与根长占比、土壤耗水量占比两者均呈正相关。(2)阐明了蓄水坑灌下根区水分运移和传输机制。通过水平土柱入渗的物理模型模拟,掌握了土壤水在水平迁移过程中的分馏机制;基于蓄水坑灌的田间试验,明确了土壤水稳定同位素的时空分布特征,发现在单株树冠下可不考虑同位素径向的异质性,进而用聚类分析法对果园土壤剖面水分进行了合理划分,为量化根系吸水层位提供依据;得出蓄水坑灌下土壤水蒸发线的斜率和截距均小于地面灌溉,表明蓄水坑灌下土壤蒸发强度较小,体现出蓄水坑灌的节水优势。(3)围绕根-土界面的水分迁移,基于根系生长和根区土壤微环境变化揭示了蓄水坑灌的节水抗旱机制,利用稳定同位素技术量化了蓄水坑灌下根系吸水层位。与地面灌溉相比,蓄水坑灌提升了40cm以下土壤水分含量,提高了表层温度并增加了表层真菌含量,使苹果根系在0-100cm范围内均有所分布,并诱导根系深扎,将根系生长峰值区从20-40cm下移至40-60cm;评价了5种同位素模型输出结果的差异性和精确性,得出了基于δ~(18)O和Romero-Saltos、IsoSource模型为本试验下的最优分析方法,并结合模型计算和氘同位素(D_2O)注射的结果,量化了地面灌溉下苹果树根系的主要吸水深度为0-60cm,且0-40cm土层为主要的土壤水贡献率区域;而蓄水坑灌下根系的主要吸水深度为20-100cm,根区40-100cm土层的土壤水贡献率显著提高。(4)阐释了蓄水坑灌下果树地上部水分迁移机制。利用D_2O注射和热扩散技术研究树干水分迁移情况,结果表明,蓄水坑灌能够提升苹果树液流速率;提出了利用茎流计探针间的最大温差(dTm)指示苹果树干水分含量的新方法;采用树干直径微变化表征果树水分状况,得出相同灌水量的蓄水坑灌较地面灌溉提高了树干日生长速率,降低了树干直径日最大收缩量(MDS),而灌水量减半的蓄水坑灌能与地面灌溉保持相近的树干直径变化;且蓄水坑灌下MDS与液流速率呈正相关,与40-80cm土壤含水率负相关;构建了基于日均大气温度和日均参考作物蒸散量的蓄水坑灌下MDS多元回归模型和径向基函数(RBF)神经网络预测模型,预测模型的平均相对误差为4.53%;通过研究叶片水势和气孔导度变化阐明了不同灌溉方式对叶片用水耗水的影响,较地面灌溉,蓄水坑灌显著提高了叶片水势,增大了气孔导度,并建立了基于叶片气象因素的蓄水坑灌下的气孔导度模型,平均相对误差为1.89-8.93%;拟合了蓄水坑灌下叶片水的蒸腾线,分析了利用叶片氧稳定同位素指示气孔导度的可行性。(5)明确了基于叶片光合机理的蓄水坑灌增产机制,定量了不同尺度的水分利用效率。蓄水坑灌通过改善叶片水分状况,促进叶片气孔开放,增加叶绿素含量,提升叶片光能利用效率并延缓叶片衰老,以增强叶片光合作用,增加苹果树单果重和可溶性固形物含量,最终提升果树的产量和品质。相同灌水量下,蓄水坑灌较地面灌溉增产25%,但在灌水量减半的情况下,两者的产量无显著差异;与地面灌溉相比,蓄水坑灌不同处理下苹果树的瞬时水分利用效率提高了13-19%,产量水平的水分利用效率提高了26.5-28.6%,叶片碳稳定同位素指示的长效水分利用效率显著增加。本研究成果对指导蓄水坑灌下苹果园合理灌溉,提高水分利用效率,实现果园节水增产具有重要意义。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S661.1

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